專利名稱：用于軟土地基處理的沖擊載荷與軟土覆蓋層厚度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地基工程技術(shù)，特別涉及一種用于軟土地基處理的沖擊載荷與 軟土覆蓋層厚度控制方法。
背景技術(shù)：
在軟土地基之上進行動力沖擊(夯擊)的基本要求有三點 (--)軟土層之上要有一定厚度的覆蓋層，目前相關(guān)規(guī)范及工程設(shè)計一
般要求該厚度為3 4m [見廣東省地基處理技術(shù)規(guī)范DBJ 15 -38-2005:"在 軟土表面上宜覆蓋厚度3.0 4.0m填土層(含砂墊層厚度)，方可在填土表 面上進行強夯施工"];
(二) 要求給出某次夯擊最大沖擊能(即最大單擊夯擊能)；對于該問 題，如何給出及掌握該合適的沖擊能大小目前并沒有可操作的方法，而普遍 的做法是沿用強夯法中依據(jù)要求的最大加固深度來確定；
(三) 要有一定的排水能力(通常是設(shè)置人工排水體系)。 目前對于軟土地基的動力沖擊固結(jié)處理一般都是按照上述三個基本要
求點的解決辦法進行，這就容易存在以下缺陷
(1)由于要求(一)中覆蓋層厚度要求一般過高，這將導(dǎo)致工程成本 過高，特別是在缺土區(qū)域?qū)嶋H上難以實施。不同的覆蓋層厚度對應(yīng)著不同的 造價成本，厚度越大成本也越大，尤其當(dāng)原軟土表面標(biāo)高越接近于地基處理 交工面標(biāo)高，該現(xiàn)象更明顯，此時，不但要承擔(dān)要求厚度對應(yīng)的堆填土費用， 還要承擔(dān)超堆填土卸除與外運的額外費用。另外，需注意到，通常堆填土的 費用所占軟基處理的總費用比例較高，而在缺土的建設(shè)區(qū)域，該比例則非常 高且還較大程度地延長了工期。例如，在珠江三角洲地區(qū)目前市場情況是 10m厚度軟土，若其上堆載4m土，則運堆6 26元/m3 (中間值為16元 /m3)、卸運5 9元/m3 (中間值為7元/m3)，該部分成本與軟基處理的 其他成本，包括人工排水體15.3元/m2 (1.2mX1.2m間距，llm深度，2.0 元/m)、夯擊18元/m2、其他2元/m2;總和之比為181% (=64 / 35.3)，此時對應(yīng)于僅堆填4m;或總和之比為230%[= (64+17.5) / 35.3]，此時對 應(yīng)于堆填4m+2.5m (卸運厚度)。此外，除上述直接經(jīng)濟問題原因外，由于 挖土破壞原始植被或地形地貌，故其對環(huán)境破壞影響也較大。
(2)當(dāng)其他條件一定時，最大沖擊能的確定是一個關(guān)鍵且為難點；若 其太大，軟土將整體破壞，其觸變恢復(fù)時間很長，工程一般不允許，造價成 本也太高；若其太小，則加固效果達不到預(yù)期目標(biāo)。由于目前對該值的確定 沒有可操作的方法，使得軟基處理工程效果難以預(yù)測；若按照最大加固深度 來控制最大單擊夯擊能，則初始(幾遍)單擊夯擊能必定過大而造成軟土土 體整體破壞，以致將導(dǎo)致軟土地基處理的失??；即按照最大加固深度來控制 沖擊荷載的傳統(tǒng)方法對軟土尤其是具有高含水量的軟土是不適合的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于軟土地基處理的沖 擊載荷與軟土覆蓋層厚度控制方法，該方法能較準(zhǔn)確地計算沖擊載荷(也稱單 擊夯擊能)和軟土覆蓋層的厚度，便于在工程質(zhì)量的關(guān)鍵問題上把住關(guān)，確保 軟土地基動力固結(jié)處理成功，亦減少軟土地基的工程成本，同時也能較好地保 護原始植被或地形地貌。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種用于軟土地基處理的沖擊載荷與軟土 覆蓋層厚度控制方法，包括以下步驟
(1) 確定軟土承載力特征值fak;
(2) 確定軟土覆蓋層的初始厚度，并根據(jù)軟土覆蓋層的應(yīng)力擴散角計算 軟土面上的應(yīng)力作用范圍；
(3) 根據(jù)得到的軟土承載力特征值fak和軟土面上的應(yīng)力作用范圍，計算 第一遍沖擊載荷值；
(4) 根據(jù)改變的軟土承載力特征值和軟土覆蓋層的應(yīng)力擴散角，再計算 第二遍沖擊載荷值；
(5) 重復(fù)步驟(4)，直至得到?jīng)_擊載荷的最大值；
(6) 根據(jù)沖擊載荷的最大值及其對應(yīng)的軟土承載力特征值反計算軟土覆 蓋層的最終控制厚度。
步驟(1)所述軟土承載力特征值的確定通過試驗測量或查表得到。當(dāng)采用試驗時，可按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2002平板載荷試驗—— 附錄C與D的實施方法進行。
所述步驟(2)具體為 (2-1)根據(jù)實際工程要求的軟土地基處理交工面標(biāo)高得到所需軟土覆蓋 層的基本厚度，然后設(shè)定軟土覆蓋層的初始厚度，設(shè)定的軟土覆蓋層初始厚度 大于所需軟土覆蓋層的基本厚度(基于考慮將要發(fā)生的軟土沉降與覆蓋土層密 實造成覆蓋土層表面的高度損失)；
(2-2)通過查表或試驗測量分別得到軟土覆蓋層及軟土層的變形模量， 根據(jù)軟土覆蓋層和軟土層的變形模量相對比值，査表確定軟土覆蓋層的應(yīng)力擴 散角；當(dāng)通過試驗測量軟土覆蓋層及軟土層的變形模量時，可按《巖土工程勘 察規(guī)范》GB50021-2001 10. 2載荷試驗的實施方法進行；應(yīng)力擴散角的確定可 參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2002表5.2.7進行選取。
(2-3)根據(jù)得到的軟土覆蓋層應(yīng)力擴散角，計算沖擊載荷傳遞至軟土層 時軟土面上的應(yīng)力作用范圍，具體為
光通過公式R二r + lvtg0計算軟土面上的應(yīng)力作用范圍半徑，然后通過公
式^ = ;^2計算軟土面上的應(yīng)力作用范圍；式中r為圓形(或等效成圓形)夯
擊面的半徑，hi為軟土覆蓋層的厚度，6>為軟土覆蓋層的應(yīng)力擴散角。
步驟(2-2)所述軟土覆蓋層的應(yīng)力擴散角取值范圍為23。 30° 。 步驟(3)所述沖擊載荷值可通過等效擬靜壓力公式
式中，^^為擬靜壓力最大值(kPa);
P為擬靜壓力在沖擊接觸時間A/內(nèi)均值(kPa); W為夯錘的重量(kN); A為沖擊錘的底面積(m2); H為落距(m); g為重力加速度(m/s2);
計算得到Af為錘土沖擊接觸時間(s), ^參考值流塑黏性土為100 200ms， 可塑黏性土為80 120tns，硬土為20 60ms。
步驟(4)所述軟土承載力特征值和軟土覆蓋層應(yīng)力擴散角的改變具體為.-通過査表在其取值范圍內(nèi)選擇不同的數(shù)值；軟土承載力特征值的改變呈逐次增 加的趨勢，每次夯一遍后該值均有所提高，通常該值可按每遍提高前一狀態(tài)的 10% 30%考慮；應(yīng)力擴散角的改變也呈逐次增加的趨勢，通常每遍可按遞增 T 2。考慮。
步驟(6)所述軟土覆蓋層的最終控制厚度通過公式Pmax/S=fak、 5" = "i 2及 R^ + lVtg^反計算得到。
本發(fā)明的沖擊載荷與軟土覆蓋層厚度控制方法，其基本原理是 在排水能力相適應(yīng)的條件下，軟土覆蓋層厚度的考慮主要是要使得覆蓋層 下的軟土整體具有必要抵抗破壞的能力；反之，也就是沖擊荷載作用在軟土層
時傳遞的荷載應(yīng)小于或不超過軟土的承載力極限值，即荷載通過軟土覆蓋層的 應(yīng)力擴散角作用于軟土面之上且應(yīng)力不大于軟土的承載力——可按不超過軟 土承載力特征值來考慮。由于軟土承載力低且破壞后恢復(fù)時間長，為了有效地 逐次改善及提高軟土承載及抗變形性能，在軟土性質(zhì)、軟土覆蓋層應(yīng)力擴散角
與排水等條件確定時，最大沖擊載荷的確定則主要依賴于軟土覆蓋層厚度；反 之，該條件下軟土覆蓋層厚度的確定主要依賴于最大沖擊載荷。
總的來說，在排水能力相適應(yīng)的條件下，可按以下幾個關(guān)鍵因素控制軟土 覆蓋層厚度或控制最大沖擊荷載
(1) 沖擊荷載——沖擊荷載越大，軟土覆蓋層厚度應(yīng)越大(給出定量或 半定量關(guān)系)；
(2) 填土的應(yīng)力擴散角——該應(yīng)力擴散角越大，軟土覆蓋層厚度可越小 (給出不同類別土層的應(yīng)力擴散角， 一般密度越大應(yīng)力擴散角越大)，沖擊荷
載可越大；
(3) 軟土承載力特征值——該值越大，軟土覆蓋層可越小，沖擊荷載可
越大；
(4) 軟土覆蓋層厚度——該值越大，沖擊荷載可越大。由于沖擊荷載可方便地進行人為調(diào)整，所以其初始施加值越小，其相應(yīng)軟 土覆蓋層厚度可以越小。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
本沖擊載荷與軟土覆蓋層厚度控制方法，其操作簡單，較好地適用于巖土 工程中的軟土地基處理；同時，本控制方法能較準(zhǔn)確地計算出沖擊載荷的大小 和軟土覆蓋層的厚度，確保軟土地基動力固結(jié)處理成功，也避免軟土覆蓋層采 用標(biāo)準(zhǔn)中的最大厚度，從而降低工程造價、節(jié)省成本，并且避免對軟土層的破 壞，較好地保持原始植被或地形地貌，減小對環(huán)境的破壞。


圖1是本發(fā)明中軟土層及軟土覆蓋層在沖擊載荷作用下的典型工法示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明的實 施方式不限于此。
如圖1的軟土層和軟土覆蓋層在沖擊載荷作用下的典型工法示意圖所示 (圖中箭頭方向為沖擊載荷作用下軟土層和軟土覆蓋層內(nèi)的作用力方向)，本 實施例一種用于軟土地基處理的沖擊載荷與軟土覆蓋層厚度控制方法，包括以 下步驟
(1) 確定軟土層1的軟土承載力特征值fak;
(2) 確定軟土覆蓋層2的初始厚度，并根據(jù)軟土覆蓋層2的應(yīng)力擴散角 計算軟土層1軟土面上的應(yīng)力作用范圍；
(3) 根據(jù)得到的軟土層1的軟土承載力特征值和軟土面上的應(yīng)力作用范 圍，計算沖擊載荷3的第一遍沖擊載荷值；
(4) 根據(jù)改變的軟土層1的軟土承載力特征值和軟土覆蓋層2的應(yīng)力擴 散角，再計算沖擊載荷3的第二遍沖擊載荷值；(5) 重復(fù)步驟(4)，直至得到?jīng)_擊載荷的最大值；
(6) 根據(jù)沖擊載荷3的最大值及其對應(yīng)的軟土層1的軟土承載力特征值 反計算軟土覆蓋層2的最終控制厚度。
上述方法中，步驟(1)中軟土層1的軟土承載力特征值的確定通過試驗 測量或査表得到。當(dāng)采用試驗時，可按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2002 平板載荷試驗——附錄C與D的實施方法進行。
步驟(2)具體為
(2-1 )根據(jù)實際工程要求的軟土地基處理交工面標(biāo)高得到所需軟土覆蓋 層2的基本厚度，然后設(shè)定軟土覆蓋層2的初始厚度，設(shè)定的軟土覆蓋層初始 厚度大于所需軟土覆蓋層的基本厚度(基于考慮將要發(fā)生的軟土沉降與覆蓋土 層密實造成覆蓋土層表面的高度損失)；
(2-2)通過査表或試驗測量分別得到軟土覆蓋層2及軟土層1的變形模 量，根據(jù)軟土覆蓋層2和軟土層1的變形模量相對比值，查表確定軟土覆蓋層 2的應(yīng)力擴散角；當(dāng)通過試驗測量軟土覆蓋層2及軟土層1的變形模量時，可 按《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001 10. 2載荷試驗的實施方法進行；應(yīng)力 擴散角的確定可參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2002表5. 2. 7進行 選取。
(2-3)根據(jù)得到的軟土覆蓋層2的應(yīng)力擴散角，計算沖擊載荷3傳遞至
軟土層1時軟土面上的應(yīng)力作用范圍，具體為
先通過公式Rzr + tvtg^計算軟土面上的應(yīng)力作用范圍半徑，然后通過公
式^ = ;^2計算軟土面上的應(yīng)力作用范圍；式中r為圓形(或等效成圓形)夯
擊面的半徑，hi為軟土覆蓋層的厚度，6>為軟土覆蓋層的應(yīng)力擴散角。
步驟(2-2)中軟土覆蓋層的應(yīng)力擴散角取值范圍為23。 30° 。 步驟(3)中沖擊載荷值可通過等效擬靜壓力公式
<formula>formula see original document page 9</formula>
計算得到，
式中，為擬靜壓力最大值(kPa);F為擬靜壓力在沖擊接觸時間AZ內(nèi)均值(kPa); W為夯錘的重量(kN);
A為沖擊錘的底面積(m2); H為落距(m); g為重力加速度(m/s2);
A,為錘土沖擊接觸時間(s)， A 參考值流塑黏性土為100 200ms， 可塑黏性土為80 120ms，硬土為20 60ms。
步驟(4)中軟土層1的軟土承載力特征值和軟土覆蓋層2的應(yīng)力擴散角 的改變具體為通過查表在其取值范圍內(nèi)選擇不同的數(shù)值；軟土承載力特征值 的改變呈逐次增加的趨勢，每次夯一遍后該值均有所提高，通常該值可按每遍 提高前一狀態(tài)的10% 30%考慮；應(yīng)力擴散角的改變也呈逐次增加的趨勢， 通常每遍可按遞增1° 2°考慮。
步驟(6)中軟土覆蓋層2的最終控制厚度通過公式Pmax/S=fak、 S = ;rf 2及 R^ + h「tg^反計算得到。
本實施例的沖擊載荷與軟土覆蓋層厚度控制方法，其基本原理是-在排水能力相適應(yīng)的條件下，軟土覆蓋層2厚度的考慮主要是要使得覆蓋 層2下的軟土整體具有必要抵抗破壞的能力；反之，也就是沖擊荷載3作用在 軟土層1時傳遞的荷載應(yīng)小于或不超過軟土的承載力極限值，即荷載通過軟土 覆蓋層2的應(yīng)力擴散角作用于軟土面之上且應(yīng)力不大于軟土的承載力——可 按不超過軟土承載力特征值來考慮。由于軟土承載力低且破壞后恢復(fù)時間長， 為了有效地逐次改善及提高軟土承載及抗變形性能，在軟土層1的軟土性質(zhì)、 軟土覆蓋層2的應(yīng)力擴散角與排水4等條件確定時，最大沖擊載荷的確定則主 要依賴于軟土覆蓋層2的厚度；反之，該條件下軟土覆蓋層2厚度的確定主要 依賴于沖擊載荷3的最大值。
總的來說，在排水能力相適應(yīng)的條件下，可按以下幾個關(guān)鍵因素控制軟土 覆蓋層厚度或控制最大沖擊荷載
(1)沖擊荷載——沖擊荷載越大，軟土覆蓋層厚度應(yīng)越大(給出定量或 半定量關(guān)系)；(2) 填土的應(yīng)力擴散角——該應(yīng)力擴散角越大，軟土覆蓋層厚度可越小 (給出不同類別土層的應(yīng)力擴散角， 一般密度越大應(yīng)力擴散角越大)，沖擊荷
載可越大；
(3) 軟土承載力特征值——該值越大，軟土覆蓋層可越小，沖擊荷載可
越大；
(4) 軟土覆蓋層厚度——該值越大，沖擊荷載可越大。 由于沖擊荷載可方便地進行人為調(diào)整，所以其初始施加值越小，其相應(yīng)軟
土覆蓋層厚度可以越小。
如上所述，便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明，上述實施例僅為本發(fā)明的較佳實施例， 并非用來限定本發(fā)明的實施范圍；即凡依本發(fā)明內(nèi)容所作的均等變化與修飾， 都為本發(fā)明權(quán)利要求所要求保護的范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1、用于軟土地基處理的沖擊載荷與軟土覆蓋層厚度控制方法，其特征在于，包括以下步驟(1)確定軟土承載力特征值fak；(2)確定軟土覆蓋層的初始厚度，并根據(jù)軟土覆蓋層的應(yīng)力擴散角計算軟土面上的應(yīng)力作用范圍；(3)根據(jù)得到的軟土承載力特征值fak和軟土面上的應(yīng)力作用范圍，計算第一遍沖擊載荷值；(4)根據(jù)改變的軟土承載力特征值和軟土覆蓋層的應(yīng)力擴散角，再計算第二遍沖擊載荷值；(5)重復(fù)步驟(4)，直至得到?jīng)_擊載荷的最大值；(6)根據(jù)沖擊載荷的最大值及其對應(yīng)的軟土承載力特征值反計算軟土覆蓋層的最終控制厚度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于軟土地基處理的沖擊載荷與軟土覆蓋層厚度 控制方法，其特征在于，步驟(1)所述軟土承載力特征值的確定通過試驗測 量或查表得到。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于軟土地基處理的沖擊載荷與軟土覆蓋層厚度 控制方法，其特征在于，所述步驟(2)具體為(2-1)根據(jù)實際工程要求的軟土地基處理交工面標(biāo)高得到所需軟土覆蓋 層的基本厚度，然后設(shè)定軟土覆蓋層的初始厚度，設(shè)定的軟土覆蓋層初始厚度 大于所需軟土覆蓋層的基本厚度；(2-2)通過查表或試驗測量分別得到軟土覆蓋層及軟土層的變形模量， 根據(jù)軟土覆蓋層和軟土層的變形模量相對比值，査表確定軟土覆蓋層的應(yīng)力擴 散角；(2-3)根據(jù)得到的軟土覆蓋層應(yīng)力擴散角，計算沖擊載荷傳遞至軟土層 時軟土面上的應(yīng)力作用范圍，具體為先通過公式R = r + h, tgP計算軟土面上的應(yīng)力作用范圍半徑，然后通過公式^ = ;^2計算軟土面上的應(yīng)力作用范圍；式中r為圓形夯擊面的半徑，h, 為軟土覆蓋層的厚度，6>為軟土覆蓋層的應(yīng)力擴散角。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述用于軟土地基處理的沖擊載荷與軟土覆蓋層厚度 控制方法，其特征在于，步驟(2-2)所述軟土覆蓋層的應(yīng)力擴散角取值范圍 為23° 30° 。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于軟土地基處理的沖擊載荷與軟土覆蓋層厚度 控制方法，其特征在于，步驟(3)所述沖擊載荷值通過等效擬靜壓力公式計算得到，式中，^^為擬靜壓力最大值(kPa);F為擬靜壓力在沖擊接觸時間"內(nèi)均值(kPa);W為夯錘的重量(kN);A為沖擊錘的底面積(m2);H為落距(m);g為重力加速度(m/s2);A,為錘土沖擊接觸時間(S)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于軟土地基處理的沖擊載荷與軟土覆蓋層厚度 控制方法，其特征在于，步驟(4)所述軟土承載力特征值和軟土覆蓋層應(yīng)力 擴散角的改變具體為通過査表在其取值范圍內(nèi)選擇不同的數(shù)值；軟土承載力 特征值的改變呈逐次增加的趨勢；應(yīng)力擴散角的改變也呈逐次增加的趨勢。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述用于軟土地基處理的沖擊載荷與軟土覆蓋層厚度 控制方法，其特征在于，所述軟土特征值的每次該變量為前一狀態(tài)的10% 30%,所述應(yīng)力擴散角的每次該變量為前一狀態(tài)遞增1° 2°。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于軟土地基處理的沖擊載荷與軟土覆蓋層厚度 控制方法，其特征在于，步驟(6)所述軟土覆蓋層的最終控制厚度通過公式 Pmax/S=fak、 S = 及R = r + ht tg^反計算得到反分析計算得到。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于軟土地基處理的沖擊載荷與軟土覆蓋層厚度控制方法，先確定軟土承載力特征值，并根據(jù)軟土覆蓋層的初始厚度和應(yīng)力擴散角計算軟土面上的應(yīng)力作用范圍，然后計算第一遍沖擊載荷值；接著改變軟土承載力特征值和軟土覆蓋層的應(yīng)力擴散角，計算第二遍沖擊載荷值，直至得到?jīng)_擊載荷的最大值；最后根據(jù)沖擊載荷的最大值及其對應(yīng)的軟土承載力特征值反計算軟土覆蓋層的最終控制厚度。本發(fā)明操作簡單，能較準(zhǔn)確地計算沖擊載荷和軟土覆蓋層的厚度，便于在工程質(zhì)量的關(guān)鍵問題上把住關(guān)，確保軟土地基動力固結(jié)處理成功，亦減少軟土地基的工程成本，同時也能較好地保護原始植被或地形地貌。
文檔編號E02D3/046GK101672030SQ20091019252
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者靈 萬, 李彰明 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)